西北地区生态城市建设水资源安全保障基础研究——以宝鸡市为例

摘要

西北地区城市面临的一个共性问题就是气候干旱,降水量少且时空分布不均,造成城市的资源性缺水,城市生态环境建设所需的大量环境用水又会在一段时间内加剧城市有限水资源的供需矛盾。在这种背景下,进行相应的水资源安全保障基础研究,对保障城市水安全,促进西北地区生态城市的可持续发展具有重要的理论和实际意义。论文结合当前宝鸡市生态城市发展面临的水资源安全问题展开多方面研究,主要研究内容和成果如下：(1)从生态城市的内涵出发,分析了生态城市用水系统的特点及生态城市建设的水资源制约因素；结合日益丰富的城市水安全的观点,探讨了城市水资源安全保障体系研究的方向。(2)对宝鸡市降雨系统的演变特征进行了分析研究,结果表明,年雨日数呈递减趋势,雨日数和降水量线性相关显著；用去趋势波动分析法获得降雨序列的长程相关性在不同研究尺度上表现有所不同,未来一段时期内年降雨量总趋势减少；经干旱变化特征分析表明降雨量变化具有多阶段性和突变性,90年代后旱情发生频率增加,2000年左右发生突变后,旱情有所缓解,但仍处于较少水平；基于干旱预测模型探讨了未来年份宝鸡市干旱发生情势。(3)基于高阶统计理论,在对宝鸡市河流径流序列进行非线性辨识基础上,深入分析研究了其趋势性,持续性、分形特征及混沌特性,结果表明：作为宝鸡市农业、工业及生活用水重要水源的渭河干流、支流千河及清姜河径流系统均具有分形结构和混沌特性,三条河流年径流量均呈现出显著的下降趋势,且都具有较强的持续性。(4)采用Copula函数构造河川径流的联合分布,具体分析了宝鸡市区段渭河干流及其最大一级支流千河的丰枯遭遇情况,结果表明：干支流同时出现丰、平、枯水年的概率分别为0.72,0.45和0.21；干流出现平水年,支流出现丰水年与枯水年的概率分别为0.5和0.248；支流出现枯水年,干流出现丰水年的概率为0.25。(5)分析研究了宝鸡市历史供用水结构变化特点及节水现状。结果表明,宝鸡市目前供水结构单一,主要依赖常规水源,而非常规水源的开发利用和节水具有一定潜力。(6)针对生态城市需水系统的复杂性,进行了城市需水量预测方法研究。将灰色理论与自忆性原理相结合,研究了城市用水系统的自忆性并进行了城市需水量预测；基于宝鸡市产业结构及其国内生产总值,建立了相应的可拓物元法需水量预测模型；将结构分析法和未确知数学方法相结合,构建了基于盲数理论的城市需水量不确定性预测模型。(7)探讨了生态城市河流生态需水量的研究意义及西北地区生态城市河流需水量的确定方法,计算表明,在充分考虑城市污水处理能力建设条件下,宝鸡市市区渭河干流的生态需水量为3.2079亿m3,才能保证城市河流的生命力。(8)分析了城市再生水和雨水资源化的意义及其特点；分析了宝鸡市区污水处理能力的建设对生态用水的保障能力；探讨了城市雨水资源化潜力分析方法并估算了宝鸡市区雨水资源化潜力；定量计算了宝鸡市区非常规水源潜在用户需水量。(9)探讨了宝鸡市生态城市可持续发展的水资源安全保障策略,明确了建设节水型城市已经刻不容缓,须将常规水源和非常规水源统筹规划,合理、高效使用,保障生态城市健康发展。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 问题的提出

1.1.1 我国城市水资源利用中存在的问题

1.1.2 西北地区生态城市建设的水资源制约因素

1.2 国内外生态城市建设水资源安全保障研究现状

1.2.1 生态城市研究

1.2.2 城市生态环境需水量研究

1.2.3 城市水安全研究

1.2.4 城市雨污水资源化利用研究

1.3 论文主要研究内容和思路

2 生态城市与城市水资源安全

2.1 生态城市的内涵

2.2 生态城市用水系统

2.2.1 生态城市用水户分类及其影响因素

2.2.2 生态城市用水系统的特点

2.2.3 生态城市河流

2.3 生态城市水资源安全

2.3.1 城市水资源安全

2.3.2 生态城市建设的水资源制约因素

2.3.3 生态城市水资源安全保障体系

2.4 本章小结

3 生态城市宝鸡市水资源及其开发利用现状分析

3.1 宝鸡市自然地理概况

3.1.1 城市性质

3.1.2 区位条件

3.1.3 地形特征

3.1.4 气候特征

3.1.5 植被森林

3.1.6 旅游条件

3.2 宝鸡市社会经济发展状况

3.3 宝鸡市水资源概况

3.3.1 河流水系

3.3.2 地表水资源概况

3.3.3 地下水资源概况

3.3.4 水资源总量

3.3.5 水资源主要特点

3.4 宝鸡市水资源开发利用现状

3.4.1 供水工程现状供水能力

3.4.2 水资源开发利用现状

3.5 宝鸡市生态城市建设目标与发展规划

3.5.1 规划原则

3.5.2 规划范围

3.5.3 城市规模

3.5.4 城市产业结构

3.5.5 城市空间结构

3.5.6 城市生态防护体系建设

3.6 宝鸡市生态城市建设过程中存在的水资源问题

3.6.1 水资源短缺形势严峻

3.6.2 旱灾频繁

3.6.3 水环境状况令人堪忧

3.6.4 地下水超采严重

3.6.5 水资源利用率不高,用水浪费严重

3.6.6 二元供水结构急需改进

3.7 本章小结

4 宝鸡市降水系统的演变特性研究

4.1 降水量变化特征分析

4.1.1 降水的年际变化和年内分配

4.1.2 雨日数变化特征分析

4.2 基于去趋势波动分析的宝鸡市降雨演变特性研究

4.2.1 研究方法

4.2.2 宝鸡市降雨的去趋势波动分析

4.3 宝鸡市干旱特征及模型预测研究

4.3.1 资料与方法

4.3.2 结果与分析

4.4 本章小结

5 宝鸡市径流系统演变特性研究

5.1 河川径流系统的演变特性研究

5.1.1 径流时间序列非线性辨识

5.1.2 径流时间序列非线性特征分析

5.2 河川径流丰枯遭遇分析

5.2.1 两变量联合概率分布

5.2.2 Copula函数

5.2.3 Copula函数族

5.2.4 维Copula函数的应用研究

5.3 本章小结

6 宝鸡市供用水结构特征分析

6.1 供水结构变化分析

6.2 用水结构变化分析

6.3 节水现状分析

6.3.1 用水效率与节水水平

6.3.2 工业节水现状

6.3.3 农业节水现状

6.3.4 生活节水现状

6.4 弹性系数分析

6.5 本章小结

7 生态城市需水量预测模型和方法研究

7.1 城市需水量预测方法

7.2 灰色自记忆模型研究

7.2.1 灰色理论

7.2.2 自记忆原理

7.2.3 灰色自记忆模型

7.2.4 基于灰色自记忆模型的宝鸡市生活需水量预测

7.3 可拓物元预测模型

7.3.1 可拓物元理论

7.3.2 基于可拓聚类模型的城市需水量预测

7.4 基于盲数理论的城市需水量预测模型

7.4.1 关于不确定性信息

7.4.2 盲数基本理论

7.4.3 基于盲数理论的城市需水量预测模型

7.4.4 基于盲数理论的宝鸡市需水量预测模型

7.5 生态城市生态环境需水量确定

7.5.1 生态城市生态需水量

7.5.2 生态城市河流生态需水量

7.5.3 宝鸡市区河流生态需水量

7.6 本章小结

8 生态城市非常规水源利用研究

8.1 城市再生水利用研究

8.1.1 再生水的内涵和意义

8.1.2 城市再生水潜在用户分类

8.1.3 再生水的有效利用方式

8.1.4 宝鸡市城市污水回用现状及潜力

8.2 城市雨水资源利用研究

8.2.1 城市化与雨水资源化

8.2.2 雨水资源的特点

8.2.3 城市雨水资源化的基本途径

8.2.4 城市雨水资源化潜力分析计算

8.3 宝鸡市区非常规水源潜在需水量分析

8.3.1 市政和生活杂用需水量

8.3.2 工业需水量

8.3.3 河湖景观生态环境需水量

8.4 本章小结

9 宝鸡市水资源安全保障对策与措施

9.1 节水优先,加强城市水资源需求侧管理

9.1.1 加强节水宣传教育,转变用水观念

9.1.2 依靠科技进步,大力推广节水技术

9.1.3 创建节水型生活小区、节水型工业园区

9.1.4 调整产业结构和工业结构

9.2 充分挖掘潜力,促进城市雨水利用

9.2.1 多种方式有效挖掘雨水利用潜力

9.2.2 完善雨水利用立法与市场机制

9.2.3 政策鼓励,提高投资者的主动性和积极性

9.3 实施城市再生水利用的战略性对策

9.3.1 完善污水回用标准、健全管理政策

9.3.2 合理调整水价体系,体现优水优价

9.3.3 优先开发培育污水回用水大户

9.3.4 加强污水回用的基础设施建设

9.3.5 实施污水回用的市场化、产业化发展

9.4 控制污染,维护城市河流生态系统

9.4.1 强化水资源保护意识,严格控制地下水开采

9.4.2 工程措施与行政措施并重,维持河道生态需水

9.5 推行城市水资源综合规划模式

9.6 加强城市水安全管理的信息化

9.7 建设城市水安全应急体系

10 结论与展望

10.1 主要研究成果

10.2 展望

致谢

参考文献

附录